基于R TC P的五軸加工中心擺角精度測量系統設計

金 星，李 野

（沈陽飛機工業（集團）有限公司，遼寧 沈陽 110034）

在航空制造領域里，隨著產品設計水平和工藝水平的提升，以及大量高檔數控機床的使用，各種復雜的飛機結構件便不斷出現在工廠中，這就要求數控機床在加工過程中做出各種復雜加工動作的同時，還要保證較高的加工質量。對于五坐標加工中心，擺角精度的高低，直接影響著零件的斜面和曲面的加工精度。

但目前在國內，五坐標加工中心擺角定位精度的測量和誤差補償，除設備昂貴的激光測量系統外，還沒有一種自動化的、使用簡單的、低成本的測量系統。常用的測量方法主要包括：360齒精密分度的標準轉臺、角度多面體、激光干涉儀等[1]。激光干涉儀對于直線和小角度精度測量時可以實現較為準確的測量，但對于正90°和負90°甚至更大角度的擺角精度測量時，此方法無法滿足測量要求；而其他方法主要是操作繁瑣，無法實現自動化測量。因此本文提出了以機床 RTCP（Rotation Tool Centre Point）運動理論為測量原理的數控加工中心擺角精度測量與補償通用系統。并配合使用激光干涉儀對五坐標加工中心的各個線性軸和旋轉軸進行精度測量和誤差補償，使各軸精度和重復定位精度達到出廠設計和零件加工的精度要求，從而提高零件加工質量。

1 理論基礎與系統構成

1.1 R TC P運動理論

RTCP方法，即五軸數控機床旋轉刀具中心編程方法，是通過繞空間任一固定點的旋轉運動編程來實現機床五軸插補運算。通過驅動各個坐標軸運動實現主軸刀具中心繞指定點旋轉，實現五軸聯動插補的精度檢測。RTCP的運動精度，綜合了機床各坐標軸的定位精度和插補精度，是機床傳動精度、導向精度、閉環/開環控制精度的集中體現，也是對機床的結構剛性、驅動剛性、控制參數合理性等影響因素的綜合體現[2]。

RTCP運動精度的檢測，是通過在機床主軸上安裝球頭芯棒，使固定在工作臺上的檢測元件（如百分表或千分表）沿法向觸及球頭的表面，通過編程驅動各坐標繞球頭芯棒的球心旋轉運動測得[3]。此檢測方法實施簡單、方便快捷，而且能夠有效避免其他因素帶入的干擾誤差，是目前五軸數控機床擺角精度檢測最常用的方法。但目前使用RTCP檢測方法，通常是通過單獨的機械或數顯千分表進行測量，沒有對應的測量系統進行有效的配合，既要測量人員手工編程，又要分步測量和讀數，因此在測量時操作十分復雜。

1.2 系統硬件選擇

測量系統的總體設計方案如圖1所示，選擇硬件設備如下：數顯千分表及通訊數據線、磁力基座、球頭芯棒、計算機終端。在測量時，球頭芯棒安裝到機床主軸上，數顯千分表安裝到磁力基座上，磁力基座固定在機床工作臺上，將數顯千分表調整到與機床主軸垂直的正向位置上，數顯千分表的測量頭貼緊機床主軸的球頭芯棒一側，數顯千分表通過R232數據線連接到計算機終端。

圖1 擺角測量系統硬件設計方案

1.3 軟件結構設計

系統軟件采用C/S結構，在測量過程中，數顯千分表顯示的測量數據通過串口數據線傳入相連的計算機中，測量軟件獲得這些數據后，通過數據分析過濾，得到所需的測量值，然后經過誤差計算，最后得到相應測量點的擺角誤差值。測量系統軟件結構如圖2所示。

圖2 擺角測量系統軟件結構

2 測量系統設計

2.1 R TC P運行軌跡計算

RTCP擺角精度測量和誤差補償方法是通過驅動機床，使刀具尖端圍繞空間任一固定點旋轉運動，來實現機床五軸插補運算[4]。因此，機床主軸運行軌跡的計算與對應NC程序輸出成為該測量系統的關鍵技術之一。

由于每臺五軸加工中心的結構參數不同，RTCP運動軌跡計算前，需要得到以下參數，即正向最大測量角度Amax_pos、負向最大測量角度Amax_neg、擺角角度間隔Aspace、球頭芯棒長L1、主軸轉心距L2、測量軸A/B選擇。

根據上面參數進行RTCP運動軌跡的計算，五坐標機床A軸正向擺角精度測量時，機床主軸在YZ平面內向YZ負向運行下階梯型軌跡，同時進行擺角。圖3為五坐標機床A軸正向擺角精度測量時的RTCP運動軌跡。而A軸負向擺角精度測量時，則是在YZ平面內向YZ正向運行上階梯型軌跡，其運行軌跡與正向擺角完全相反。

圖3 A軸正、負向擺角測量時機床R TC P運動軌跡

該RTCP測量軌跡主要包括兩個參數，當擺角為A軸擺角時，每次擺角前機床主軸運動軌跡參數為Y軸坐標值和Z軸坐標值，具體算法如下公式（1）。

當擺角為B軸擺角時，每次擺角前機床主軸運動軌跡參數為X軸坐標值和Z軸坐標值，具體算法如下公式（2）。

2.2 千分表誤差數據讀取及過濾

測量過程中，獲取數顯千分表準確而有效讀數是測量的關鍵環節。由于在測量過程中，千分表讀數變化大到幾毫米，而小的時候會達到幾微米甚至更小，因此如何在這些變化的數據中選擇需要的數據十分關鍵。

通過對測量過程中機床主軸擺角運動與千分表讀數變化關系的分析，如圖4所示，得出數據采集應按照機床精度要求內的最大值原則進行數據過濾。并通過系統編程控制實現了此方法，有效地解決了數據采集的數據問題，為最終實現了誤差的準確測量提供了數據保障。

圖4 主軸擺角運動和千分表讀數變化關系

2.3 誤差值運算

運用RTCP方法進行精度測量時，千分表測出的數據代表機床主軸轉動某一角度后，由擺角定位誤差導致的X軸或Y軸的誤差值，因此再通過各坐標軸的線性誤差值與擺角誤差值之間的三角關系，便可以計算出主軸擺角的誤差值。由于擺角的定位誤差有方向和正負之分，因此需根據千分表的正負明確計算出誤差的正負和方向。

當進行A軸測量時，擺角誤差值計算如下公式3，其中Y為機床Y軸坐標值，△為第N次擺角時的擺角精度測量值，L為機床轉心距與球頭芯棒的和，AN為機床主軸擺角，AERROR為機床擺角誤差值。

3 應用效果

運用java語言的java Communications技術實現了RS232串口數據通訊，將數顯千分表數據采集到測量系統中。運用java SWT技術實現了采集頁面設計開發，以及系統內部邏輯設計開發。最終建立了自動化的數控加工中心擺角精度測量與補償通用系統。圖5為系統參數設置及NC測量程序輸出界面，圖6為測量過程獲取測量點誤差值界面。

圖5 N C測量系統參數設置界面

圖6 測量系統各測量點數據讀取

下面為輸出的NC測量程序：%_n_a1_MPF G71G90G1F2540 TRANSX=$AA_IW[X]Y=$AA_IW[Y]Z=$AA_IW[Z]y-20 A1F30 A0 G04F1 Y0F2540 G4F5 A-1F30 G04F1 A0 M0 G94F2540 G4F5 Y0.0 G4F1 Z-0.0……Z-6.66 A-10 G4F5 Y0.0 G4F1 Z0.0 A0 G4F5 M30.

下面為該測量系統在某五坐標加工中心上進行的行程在正20°到負20°間的，5°間隔的往復擺角誤差測量結果如表1所示。

表1 系統測量前后誤差值對比

通過該系統，對某五坐標機床擺角定位精度進行了測量，并對機床進行了擺角誤差補償。補償后擺角精度誤差可以提高到0.01°，可以很好地滿足零件加工精度要求。

4 結束語

本文通過運用RTCP運動原理，建立了五坐標加工中心擺角精度測量方法測量系統。運用此系統進行機床擺角精度測量和補償，可以方便快速地提高數控機床AB擺角的定位精度，既省去了原始測量方法編制測量程序和每次讀表的繁雜工作，也節省了測量結果轉換成補償值的復雜計算，大大提高了測量效率。另外，在測量成本上，節省了大量的外購和外雇費用，為車間減少了設備維護成本，提高了企業的運營效益。